Dual Raster-Skanning Fotoakustisk Små-Animal Imager for vaskulær visualisering
Summary
En dobbel rasterskanningsfotoakustisk imager ble designet, som integrert bredfeltsbilde og bildebehandling i sanntid.
Abstract
Avbildning av vaskulære nettverk på små dyr har spilt en viktig rolle i grunnleggende biomedisinsk forskning. Fotoakustisk bildeteknologi har stort potensial for anvendelse i bildeologien til små dyr. Den brede feltfotoakustiske avbildningen av små dyr kan gi bilder med høy spatiotemporal oppløsning, dyp penetrasjon og flere kontraster. Også sanntids fotoakustisk bildesystem er ønskelig å observere de hemododynamiske aktivitetene til smådyrvaskulatur, som kan brukes til å forske på dynamisk overvåking av smådyrfysiologiske egenskaper. Her presenteres en fotoaktiker med to rasterskanninger, med en byttbar dobbeltmodusbildefunksjon. Bredfeltsbildebilde er drevet av et todimensjonalt motorisert oversettelsesstadium, mens sanntidsavbildningen realiseres med galvaniskere. Ved å sette ulike parametere og bildebehandlingsmoduser, kan in vivo visualisering av smådyrvaskulært nettverk utføres. Sanntidsavbildningen kan brukes til å observere pulsendring og blodstrømendring av legemiddelindusert, etc. Den brede feltavbildningen kan brukes til å spore vekstendringen av tumorvaskulatur. Disse er enkle å bli vedtatt i ulike områder av grunnleggende biomedisin forskning.
Introduction
I det grunnleggende biomedisinske feltet kan små dyr simulere menneskelig fysiologisk funksjon. Derfor spiller smådyravbildning en viktig rolle i å veilede forskningen på menneskelige homologe sykdommer og søke effektiv behandling1. Fotoakustisk bildebehandling (PAI) er en ikke-invasiv bildeteknikk som kombinerer fordelene med optisk bildebehandling og ultralydavbildning2. Fotoakustisk mikroskopi (PAM) er en verdifull bildemetode for grunnleggende forskning av små dyr3. PAM kan enkelt få høyoppløselige, dyppenetrasjonsbilder, høyspesifisitet og høykontrastbilder basert på optisk eksitasjon og ultralyddeteksjon4.
En pulslaser med en bestemt bølgelengde absorberes av endogene kromoforer av vev. Deretter stiger temperaturen i vevet, noe som resulterer i produksjon av fotoinduserte ultralydbølger. Ultralydbølgene kan oppdages av en ultralydtransduser. Etter signaloppkjøp og bilderekonstruksjon kan den romlige fordelingen av absorberen oppnås5. På den ene siden krever visualiseringen av hele orgelvaskulært nettverk et bredt synsfelt. Prosessen med bredfeltskanning tar vanligvis lang tid å sikre høy oppløsning6,7,8. På den annen side krever det å observere de heodynamiske aktivitetene til små dyr rask sanntidsavbildning. Sanntidsbildebilde er gunstig for å studere vitale tegn på små dyr i sanntid9,10,11. Synsfeltet for sanntidsavbildning er vanligvis tilstrekkelig liten til å sikre en høy oppdateringsfrekvens. Dermed er det ofte en avveining mellom å oppnå et bredt synsfelt og sanntidsbildebehandling. Tidligere ble to forskjellige systemer brukt til bredfeltsavbildning eller sanntidsbilder, separat.
Dette arbeidet rapporterer en dobbel raster-skanning fotoakustisk imager (DRS-PAI), som integrert wide-field imaging basert på en todimensjonal motorisert oversettelsesstadium og sanntidsbildebehandling basert på en to-akset galvanometer skanner. Wide-field imaging mode (WIM) utføres for å vise vaskulær morfologi. For sanntidsbildemodus (RIM) er det for øyeblikket to funksjoner. Først kan RIM gi B-skannebilder i sanntid. Ved å måle forskyvningen av vaskulatur langs dybderetningen, kan egenskapene til åndedrett eller puls avsløres. For det andre kan RIM kvantitativt måle det spesifikke området i WIM-bildet. Ved å gi sammenlignbare bilder av lokale WIM-regioner, kan detaljene for den lokale endringen bli nøyaktig avslørt. Systemet utformer en fleksibel overgang mellom bredfeltsavbildning av vaskulær visualisering og sanntidsavbildning av den lokale dynamikken. Systemet er ønskelig i grunnleggende biomedisinsk forskning der det er behov for smådyravbildning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her presenterte vi en dobbel rasterskanning fotoakustisk smådyrbilder for ikke-invasiv vaskulær visualisering som ble designet og utviklet for å fange strukturen i vaskulaturen og den relaterte dynamiske blodendringen. Fordelen med DRS-PAI er at den integrerer WIM og RIM i ett system, noe som gjør det lettere å studere vaskulær dynamisk og vaskulær nettverksstruktur av små dyr. Systemet kan gi høyoppløselig bredfeltvaskulær visualisering og bloddynamikk i sanntid.
I dagens system bl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å anerkjenne den økonomiske støtten fra National Natural Science Foundation of China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), The Science and Technology Planning Project of Guangdong Province, Kina (2015B020233016) og The Science and Technology Program of Guangzhou (nr. 2019020001).
Materials
| 12 bit multi-purpose digitizer | Spectrum | M3i.3221 | Data acquisition card |
| A-line collected program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| Amplifier | RF Bay | LNA-650 | Amplifier |
| Depilatory Cream | Veet | 33-II | Animal depilatory |
| Fiberport Coupler | Thorlab | PAF-X-7-A | Fiber Coupler |
| Field Programmable Gate Array | Altera | Cyclone IV | Trigger Control |
| Fixed Focus Collomation Packages | Thorlabs | F240FC-532 | Fiber Collimator |
| Foused ultrasonic transducer | Self-made | ||
| Graphics Processing Unit | NVIDIA | GeForce GTX 1060 | Processing data |
| Holder | Self-made | Animal fixation | |
| Laser control program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| Mice | Guangdong Medical Laboratory Animal Center | BALB/c | Animal Model |
| Microscope camera | Mshot | MS60 | CCD camera |
| Microscope Objective | Daheng Optics | GCO-2111 | Objective Lens |
| Mirror | Daheng Optics | GCC-1011 | Moveable/Fixed Mirror |
| Moving Magnet Capacitive Detector Galvanometer Scanner | Century Sunny | S8107 | real-time scanner |
| Mshot image analysis system | Mshot | Display software | |
| Normal Saline | CR DOUBLE-CRANE | H34023609 | Normal Saline |
| Ophthalmic Scissors | SUJIE | Scalp Remove | |
| Planar ultrasonic transducer | Self-made | ||
| Plastic Wrap | HJSJLSL | Polyethylene Membrane | |
| Program Control Software | National Instrument | LabVIEW | User-defined Program |
| Pulsed Q-swithched Laser | Laser-export | DTL-314QT | 532-nm pulse Laser |
| Real-time imaging program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| Ring-shaped white LED | Self-made | ||
| Shaver | Codos | CP-9200 | Animal Shaver |
| Single-Mode Fibers | Nufern | 460-HP | Single-mode fiber |
| Surgical Blade | SUJIE | 11 | Blade |
| Surgical Scalpel | SUJIE | 7 | Scalp Remove |
| Translation Stage | Jiancheng Optics | LS2-25T | wide-field scanning stage |
| Ultrasonic Transducer | Self-made | ||
| Ultrasound gel | GUANGGONG PAI | ZC4252418 | Acoustic Coupling |
| Urethane | Tokyo Chemical Industry | C0028 | Animal Anestheized |
| Water tank | Self-made | ||
| Wide-field imaging program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| XY Translator Mount | Self-made |
References
- Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (5), 0071 (2017).
- Jeon, S., Kim, J., Lee, D., Baik, J. W., Kim, C. Review on practical photoacoustic microscopy. Photoacoustics. 15, 100141 (2019).
- Baik, J. W., et al. Super wide-field photoacoustic microscopy of animal and humans in vivo. IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (4), 975-984 (2019).
- Omar, M., Aguirre, J., Ntziachristos, V. Optoacoustic mesoscopy for biomedicine. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 354-370 (2019).
- Lin, L., et al. Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast. Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).
- Yang, F., et al. Wide-field monitoring and real-time local recoding microvascular networks on small animals with a dual-raster-scanned photoacoustic microscope. Journal of Biophotonics. 13 (6), 202000022 (2020).
- Sun, J., Zhou, Q., Yang, S. Label-free photoacoustic imaging guided sclerotherapy for vascular malformations: a feasibility study. Optics Express. 26 (4), 4967-4978 (2018).
- Xu, D., Yang, S., Wang, Y., Gu, Y., Xing, D. Noninvasive and high-resolving photoacoustic dermoscopy of human skin. Biomedical Optics Express. 7 (6), 2095-2102 (2016).
- Zhang, W., et al. Miniaturized photoacoustic probe for in vivo imaging of subcutaneous microvessels within human skin. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (5), 807-814 (2019).
- Chen, Q., et al. Ultracompact high-resolution photoacoustic microscopy. Optics Letters. 43 (7), 1615-1618 (2018).
- Lan, B., et al. High-speed widefield photoacoustic microscopy of small-animal hemodynamics. Biomedical Optics Express. 9, 4689-4700 (2018).
- Ma, H., Yang, S., Cheng, Z., Xing, D. Photoacoustic confocal dermoscope with a waterless coupling and impedance matching opto-sono probe. Optics Letters. 42 (12), 2342-2345 (2017).
- Kang, H., Lee, S. W., Lee, E. S., Kim, S. H., Lee, T. G. Real-time GPU-accelerated processing and volumetric display for wide-field laser-scanning optical-resolution photoacoustic microscopy. Biomedical Optics Express. 6 (12), 4650-4660 (2015).
